中国岩石圈应力场与构造运动区域特征

笔者系统分析了1918—2005年间中国大陆及其周缘发生的3130个中、强地震的震源机制解,根据其特征进行了岩石圈应力场构造分区,首次得到区域应力场的压应力轴和张应力轴空间分布的统计数字结果。在此基础上研究了应力场的区域特征、探讨了其动力学来源以及构造运动特征。总体结果表明,中国大陆及其周缘岩石圈应力场和构造运动可以归结为印度洋板块、太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间相对运动,以及大陆板内区域块体之间的相互作用的结果。印度洋板块向欧亚板块的碰撞挤压运动所产生的强烈的挤压应力,控制了喜马拉雅、青藏高原、中国西部乃至延伸到天山及其以北的广大地区。在青藏高原周缘地区和中国西部的大范围内,压应力P轴水平分量方位位于20～40°,形成了近NE方向的挤压应力场。大量逆断层型强震集中发生在青藏高原的南、北和西部周缘地区,以及天山等地区。而多数正断层型地震集中发生在青藏高原中部高海拔的地区,断层位错的水平分量位于近东西方向。表明青藏高原周缘区域发生南北向强烈挤压短缩的同时,中部高海拔地区存在着明显的近东西向的扩张运动。中国东部的华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,又受到从贝加尔湖经过大华北直到琉球海沟的广阔地域里存在着的统一的、方位为170°的引张应力场的控制。华北地区大地震的震源机制解均反映出该区地震的发生大体为NEE向挤压应力和NNW向张应力的共同作用结果。台湾纵谷断层是菲律宾海板块与欧亚板块之间碰撞挤压边界。来自北西向运动的菲律宾海板块构造应力控制了从台湾纵谷、华南块体,直到中国南北地震带南段东部地域的应力场。地震的震源机制结果还表明,将中国大陆分成东、西两部分的中国南北地震带是印度洋板块、菲律宾海板块与太平洋板块在中国大陆内部影响控制范围的分界线。

当今测量的岩石圈应力及其空间分布规律探讨

根据已积累的由多种不同方法所测得的丰富的构造应力资料客观地揭示了驱动构造运动所需应力的大小及其空间展布规律。统计分析结果表明，现今不同类型的构造单元，包括构造活动区在内，其构造应力绝大部分都以近水平方向的压应力为主；上地壳最大主应力一般为（１０～３０）ＭＰａ，最小主应力一般为（２～２０）ＭＰａ，最大差应力一般为（２～２５）ＭＰａ。在造山带，构造应力的大小与造山作用强度呈明显的正相关关系。岩石圈底部构造应力一般为（０．１～１．０）ＭＰａ的量级。岩石圈表部的构造应力随深度的增加而加大，岩石圈深部的构造应力随深度的增加而减小。

苏鲁-大别造山带岩石圈应力场、构造运动特征以及超高压变质带折返机制的研究

苏鲁-大别造山带是华北、华南地块之间的大地构造交界带。本文分析研究了我国东部地区的3000余年的地震活动性,并根据1918～2006年间苏鲁-大别及其周围地区发生的1000余个地震的震源机制解,系统研究了地壳应力场和构造运动的区域特征,探讨了超高压变质带的折返机制。结果表明,苏鲁带以及华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,受到从贝加尔湖经过大华北直到琉球海沟的广阔地域里存在着的统一的、方位为170°的引张应力场的控制。右旋走滑运动是苏鲁地区和郯庐断裂带的现代构造运动的主要特征。地震发生类型多为右旋走滑型或右旋走滑正断层型地震。华南地区构造应力场主要表现为,受北西西向运动的菲律宾板块向欧亚板块碰撞挤压运动所产生的方位为110～120°挤压应力的控制。华北、华南地块之间现代地壳应力场的分界线,西部与秦岭带大致相符,在大别东开始则逐渐偏离大地构造,到黄山附近向东南偏转,在温州附近转为向东延伸,最终穿过东海直至琉球海沟。研究结果还表明,苏鲁-大别超高压变质带的折返运动机制,即致使大量超高压变质岩折返到上地壳或地表的岩石圈应力场背景原因为,中生代以来大华北地区存在着较强扩张应力场的主控作用。此外,岩石圈地幔的蘑菇云构造增强了华北地区扩张应力场及扩张构造运动,导致形成大量深裂谷、裂隙,深部物质上涌。苏鲁及东大别地带处于或接近蘑菇云构造运动发育地区的中心,深部地幔物质的上涌导致并加剧了超高压变质岩折返到上地壳或地表,形成了世界著名的苏鲁-大别超高压变质带。

青藏高原及邻区岩石圈应力状态特征及其地质意义

青藏高原及邻区现今岩石圈应力状态受到岩石圈本身及下部地幔作用的共同控制,即受岩石圈内部密度分布变化造成重力势能差及地幔对流作用对岩石圈底部拖曳力共同影响.研究岩石圈应力状态对进一步认识青藏高原演化的动力学背景及机制具有重要作用.本文利用Crust1.0地壳密度模型结合S40RTS地幔横波速度变化模型计算重力势能,利用EGM2008重力场模型计算地幔对流作用在岩石圈底部的拖曳力,通过求解薄板近似下的力平衡方程分别得到这两种力源的岩石圈应力场以及两种力源的联合应力场,综合分析青藏高原地区应力状态特征,并根据重力势能应力场、地幔拖曳力应力场、两种应力场的相对大小,以及两种应力场与地表形变的相关关系特征划分了6个区域.综合分析表明,塔里木盆地等稳定地块区的岩石圈应力场主要受重力势能差控制;印度板块与青藏高原碰撞带岩石圈应力场主要受控于深部地幔拖曳力;青藏高原内部岩石圈应力场受重力势能和地幔拖曳力共同控制.青藏高原东南缘岩石圈应力场与地表形变相关性较差,推测该地区由于存在有效黏度更低的下地壳流使壳幔解耦,地幔拖曳力对浅部地壳影响较弱,导致岩石圈平均应力场与地表形变不一致.

汶川Mw7.9地震周边地区布格重力异常与岩石圈垂向构造应力场

前人研究给出,龙门山断裂带中南段地壳均衡异常显著,具有发生7级以上大地震的深部动力背景。2016年6月,我们围绕该均衡异常显著区域开展重力/GNSS加密观测,提高了该地区布格重力异常和地壳均衡异常场的空间分辨率。依据上述观测结果与前期同类观测数据,反演了汶川MW7.9地震周边地区地壳密度构造。结果显示,龙门山断裂带是地壳密度变化的高梯度带,其东侧地壳较薄,但其西部明显变厚,上、中、下地壳变化趋势均呈现上述特征;研究区东侧的莫霍面深度为35~40km,西侧为60~65km。此外,利用重力/GNSS联合观测数据计算了汶川MW7.9地震震中区周边地区岩石圈承载的垂向构造应力场,结果表明,汶川MW7.9地震震中区北部、宁强、峨眉山周边地区蓄积了-30 MPa至-40 MPa的负向构造应力,龙门山断裂带中南段蓄积了约40 MPa的正向构造应力,区域最大垂向构造应力分布在龙门山断裂带中南段,临近芦山MW6.6地震。统计结果表明,地震多发生在垂向构造应力高梯度带附近,或垂向构造应力的高值区域。

地幔对流及其对岩石圈作用的研究进展

在地球动力学领域,地幔对流作为框架式的基本假说存在,许多的地质现象和动力学活动都由其解释和展开。从地幔对流理论的提出背景出发,分别从地幔对流的发展历程及研究现状、研究方法等多个方面进行详细回顾和论述。主要针对地幔对流对岩石圈的作用,从宏观板块运动和岩石圈应力场两个方面展开了客观的分析。目前,地幔对流的研究还处于基础研究阶段,还需结合多种研究手段更加深入探究其机理和影响。最后提出当前地幔流动研究存在的问题,并展望地幔对流未来研究的目标方向。

新疆精河6.6级地震周边地区密度构造、均衡异常以及岩石圈挠曲机理

依据EIGEN-6C4重力模型和ETOPO1高程模型数据,围绕新疆精河6.6级地震展开岩石圈均衡与挠曲机理研究,得到如下结论:(1)震中附近的布格与自由空气重力异常分别为-221和-92mGal(10^-5 m·s^-2),震中位于重力异常高梯度带上;(2)震中周边地区地壳厚度约为50km,密度结构总体变化平缓,东西方向地壳厚度变化较小,但自南向北地壳厚度逐渐变薄,精河6.6级地震初始破裂发生在上中地壳分界面附近;(3)震中附近岩石圈承载的垂向构造应力为20MPa左右,震中位于岩石圈垂向构造应力极大值附近的高梯度带上;(4)地震周边地区岩石圈有效弹性厚度最优解为26km,加载比最优解为F1=1,F2=F3=0,表明该区域岩石圈相对坚硬,且导致岩石圈变形的初始加载全部来自地表.

全球重力势能特征及其地质意义——基于Crust1.0模型的分析

重力势能及重力势能差是分析岩石圈内部密度变化所引起的岩石圈平均应力特征的主要方法之一.本文基于全球Crust1.0模型地壳结构,结合常密度、横向变密度和三维变密度三种不同的地幔密度模型,获得了全球尺度更为精细的重力势能及重力势能差分布特征并开展分析.研究结果表明,在北美西部、安第斯山脉、东非、青藏高原等区域表现为重力势能高,呈拉张应力状态;在洋盆、高原周围的盆地等地区表现为重力势能低,呈挤压应力状态.对比分析不同地幔密度模型结果,发现大洋地区洋壳薄,岩石圈地幔密度受构造及热影响变化较大,对重力势能影响大;大陆地区地壳厚度大,对重力势能影响大,地幔密度变化影响相对较小.采用三维变密度地幔模型获得的重力势能差分布和大地水准面异常计算获得的全球重力势能差分布具有相似特征,表明该模型的计算结果更符合全球岩石圈尺度的应力分布特征.三维变密度地幔模型计算的重力势能差显示洋中脊轴部地区趋于零,说明该处岩石圈密度变化对应力影响较小,其拉张应力与洋中脊地区地幔上涌更为相关.